鞋楦特征驱动的鞋底模型个性化定制变形_章洋.pdf

基金项目：福建省引导性项目（编号：2018H0020）收稿日期：20220520鞋楦特征驱动的鞋底模型个性化定制变形*章洋1,2，黄常标1,2，左远征1,2（1.华侨大学 福建省特种能场制造重点实验室，福建厦门361021；2.华侨大学 厦门市数字化视觉测量重点实验室，福建厦门361021）摘要：鞋底模型变形控制是鞋类个性化定制数字化设计的关键技术之一。针对传统变形方法难以有效地实现鞋底模型个性化定制变形的问题，提出一种鞋楦模型数据驱动的分步变形策略，并基于径向基函数插值实现鞋底模型个性化定制变形的方法。在鞋楦模型与鞋底模型的特征提取和位姿匹配完成的基础上，将级放处理后的鞋底模型变形分为水平维度、竖直维度、内部区域和外部适应4个阶段变形，分别以鞋楦模型的相关特征作为驱动，利用径向基函数插值实现鞋底网格模型变形设计。算法实例表明本方法能够降低径向基函数插值稳定性依靠形状系数所带来的影响，有效实现鞋底个性化定制变形，且变形效果稳定良好。通过对比变形前后的随机采样点的间隙余量可以发现，鞋底模型内部区域较好地适应鞋楦模型曲面特征，达到个性化定制目的。关键词：个性化定制；径向基函数插值；鞋底网格模型变形；变形策略中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02020106Personalized Customization Deformation of Sole Model Driven by Shoe Last FeatureZhang Yang1,2，Huang Changbiao1,2，Zuo Yuanzheng1,2（1.Fujian Key Laboratory of Special Energy Manufacturing,Huaqiao University,Xiamen,Fujian 361021,China;2.Xiamen Key Laboratory of Digital Vision Measurement,Huaqiao University,Xiamen,Fujian 361021,China）Abstract:The deformation control of sole model is one of the key technologies of the digital design for the personalized customization offootwears.It is difficult to effectively realize the deformation of sole model for personalized customization by means of the traditionaldeformation methods.A step-by-step deformation strategy driven by the data of shoe last model was proposed.Based on radial basis functioninterpolation,the method of personalized customization deformation of shoe sole model was realized.Based on the feature extraction andregistration of shoe last model and sole model,the deformation of the graded sole model was made up of the deformation of horizontaldimension,the deformation of vertical dimension,the deformation of internal area and the deformation of external area.The deformation wasdriven by the feature data of shoe last model,and the deformation of the sole model was realized by the radial basis function interpolation.Theexamples of the algorithm illustrate that the proposed method can reduce the influence resulted from that the stability of radial basis functioninterpolation depends on the shape coefficient,and can realize the personalized deformation of the sole model effectively and stably.Bycomparing the gap values of random sampling points before and after deformation,it can be found that the internal area of the sole model canbetter adapt to the surface characteristics of the last model,so as to achieve the purpose of personalized customization.Key words:personalized customization;radial basis function interpolation;the deformation of sole mesh model;deformation strategy2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.045章洋，黄常标，左远征.鞋楦特征驱动的鞋底模型个性化定制变形 J.机电工程技术，2023，52（02）：201-206.0引言研究证明，足部健康状况与鞋的穿着情况密切相关1，而长期穿着不合人脚生理情况的鞋，既会产生不舒服感又会严重影响人脚骨骼的发育和成形；对于有足部疾病的人，穿着不合适的鞋甚至会恶化其症状。因此针对不同个体的个性化定制鞋底研究十分具有必要性。传统的个性化定制方式主要有纯手工定制和基于CAD/CAM软件辅助定制等方式，这些方式费用昂贵，效率低下。而数字化设计技术的发展使得各种个性化定制的成本大大降低，并使其制作效率极大提高。在现代社会的主观需求和客观因素的双重作用下，针对个性化定制鞋底的研究具有十分重要意义。个性化定制鞋底主要包括两大流程：（1）利用3D扫描技术得到个人的脚部模型，再提取脚部模型特征数据驱动标准鞋楦变形获得个性化鞋楦模型；（2）基于个性化鞋楦模型驱动现有款式的鞋底模型变形获得个性化定制鞋底模型。目前针对鞋底模型变形的研究较少，绝大多数的模型变形研究主要围绕模型变形的通用性进行研究，针对鞋底模型个性化定制变形可以分为 3个流程，分别是特征提取、模型匹配和模型变形。在经过特征提取、模型匹配后，鞋楦模型和鞋底模型在空间上满足一定的位姿约束，使之符合现实情况的匹配要求，随后在此基础之上，根据鞋楦模型的相关特征对鞋底模型进行201变形，从而达到鞋底个性化定制变形的目的。本文主要围绕鞋底模型变形部分开展相关研究，在完成特征提取和模型匹配的基础之上，将径向基函数插值应用于鞋底模型变形，并通过变形策略优化径向基函数插值稳定性问题，有效实现了鞋底模型的个性化定制变形。1相关工作网格模型的变形一直是研究热点，并且有了较为成熟的研究成果，常见的变形技术有空间变形技术、骨架驱动变形技术、多分辨率变形技术以及曲面变形技术等。空间变形技术的基本原理是将模型嵌入几何空间之中，然后通过变形函数控制几何空间的顶点移动，间接带动几何空间中的模型顶点发生移动，从而实现模型的变形2-3。空间变形技术具有操作简便，灵活性强等优点，然而局部区域的变形精度难以控制，变形较大的场合容易导致几何细节丢失。骨架驱动变形技术的基本原理就是为网格模型建立一个骨架，并按照一定权重设计把骨架与模型顶点关联起来，通过调整骨架位置的方式实现模型变形4-5。骨架驱动变形技术简单直观，能够模拟具有骨骼结构的生物动作，但是不适合难以建立骨骼结构的模型，同时对构建骨架时的权重设置敏感性较强。多分辨率变形技术的基本原理是将模型分为高频和低频两部分，高频部分保存复杂的几何细节，低频部分保存简单的全局特征，变形时针对低频部分进行变形，保持高频部分不变6-7。多分辨变形技术能够较好地保留局部细节，但是处理几何细节较多的复杂模型时，分解与重构的工作量巨大，难以承受。曲面变形技术的基本原理是从网格模型中选择一部分区域作为控制区域，选择一部分区域作为变形区域，当控制区域发生变形时，根据相应的优化目标函数对变形区域的变形情况进行推导，从而得出变形区域的形变量8-10。曲面变形技术的操作更加简单直观，可以直接对网格模型进行变形操作，变形精度更高，其次可以通过约束来保持局部的几何细节。但是曲面变形技术的缺点是它们在计算代价和数值稳定性上与网格的复杂度密切相关。因为空间变形技术变形精度难以控制，鞋底模型不适合添加骨架，多分辨变形技术计算量大，因此本文采用了基于径向基函数（Radial Basis Function）插值的变形方法来进行鞋底模型变形，该方法原理与曲面变形技术相似，都是直接对模型进行变形操作，变形精度较高，同时径向基函数插值形式简单，相对于引入各种约束的曲面变形技术更加简洁，计算效率更高。Hardy11最早提出了Multiquadric函数，并将其应用于地貌形状与飞机外形设计的曲面拟合问题，标志着径向基函数插值应用的开端。现在，径向基函数插值已经大量的应用于医学图像的弹性配准，曲面重建，人脸变形，地质学等方面的研究12-14。因此，本文提出了一种基于径向基函数插值的鞋底模型变形方法，该方法将径向基函数插值应用于鞋底模型变形之中，先根据鞋楦模型相关特征对鞋底模型部分区域进行变形，然后使用径向基函数插值拟合鞋底变形曲面，从而实现了鞋底网格模型变形。同时，由于径向基函数作用半径难以确定，导致径向基函数稳定性难以保证，针对径向基函数这一特点以及鞋底模型变形特点，本文从变形策略的角度出发，通过采用合适的变形策略，解决径向基函数插值变形方法稳定性不足问题。2鞋底变形的前期工作本文的鞋楦与鞋底模型为STL模型，同时采用了半边数据结构来构建三角网格模型的拓扑信息。本文所研究的鞋底模型变形是在鞋楦和鞋底模型特征提取、模型匹配的基础上开展的。因此，鞋楦和鞋底模型的相关特征已经提前提取，鞋楦和鞋底模型的初始位姿状态也已经提前确定。在特征提取部分，根据鞋底模型变形算法的要求，针对鞋楦模型，已经提取了鞋楦脚线、鞋楦底面中轴线，如图1所示；针对鞋底模型，提取了鞋底内仁线、鞋底模口线和鞋底内部中轴线等特征，以鞋底模口线为分界线可以将鞋底模型划分为内部区域和外部区域，如图2所示。在模型匹配部分，已经根据相关约束完成了鞋楦模型与鞋底模型的位姿调整，使其符合现实情况下鞋楦和鞋底模型的位姿关系，并且将鞋楦模型和鞋底模型的长、宽、高方向与世界坐标对齐，使之有了具体的参考方向。鞋楦模型和鞋底模型的具体位姿关系如图3所示。3鞋楦特征驱动的鞋底模型变形本文采用径向基函数插值的方法来进行鞋底变形，但是，径向基函数插值方法的稳定性将严重影响变形的精度，因此，本文根据径向基函数的特点以及鞋底模型变形的特点，从变形策略的角度出发，通过采用合适的变